【正文】 ： 灌裝流程 圖 41所示為復(fù)位之后灌裝部分的流程圖，圖所示位置為 24 號灌裝頭在 1號工位時的情形。 本章前三節(jié)確定了 XG24128 型灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的 PLC 控制中心、伺服電機(jī)和 步 進(jìn)電機(jī)及電磁體等執(zhí)行元件的選用、傳感器的布置等，控制系統(tǒng)的硬件連接圖如圖 312， 313, 314 所示，分別為主基板和擴(kuò)展基板 擴(kuò)展基板 2的硬件連接圖，主基板與擴(kuò)展基板 擴(kuò)展基板 2之間的連接方式如圖 32 所示。 4號為灌滿檢測傳感器，灌裝頭旋轉(zhuǎn)到此位置時即停止灌裝，這也是灌滿的標(biāo)志位。 Y37 的輸出狀態(tài)及時間 T由程序設(shè)定。直至下一有瓶信號傳來時，若有瓶，則止蓋電磁體的彈片吸合，供蓋；若無瓶，彈片繼續(xù)彈出，止蓋 [22]。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 31 電機(jī)與輸出模塊的連接圖如圖 37所示，按下啟動按鈕后，線圈 KM3~KM13 得電，連接在相應(yīng)電機(jī)前的常 開 觸點(diǎn)閉合，電機(jī)啟動。脫機(jī)端懸空時，通電后電機(jī)停止運(yùn)動時， 步 進(jìn)電機(jī)軸處于制動停止?fàn)顟B(tài)；輸入脫機(jī)信號時，通電后電機(jī)停止后，電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，可手動轉(zhuǎn)動。 輸入脫機(jī)信號時，驅(qū)動器將切斷電機(jī)各相繞組電流使電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，此時 步 進(jìn)脈沖將不能被響應(yīng)。 步進(jìn)電機(jī)的連接及控制 換向所用步進(jìn)電機(jī)由定位模塊 QD70P8 控制， 步 進(jìn)電機(jī)組與 QD70P8 模塊連 接圖如圖 36所示。因?yàn)橄到y(tǒng)長期運(yùn)行，累積誤差的存在會影響 伺服泵與兩個灌裝頭之間的位置關(guān)系，從而使整個灌裝無法進(jìn)行。 前面已經(jīng)介紹過，灌裝組件共有 24 個灌裝頭， 12 套伺服泵，每套伺服泵控制安裝在180 度方向的兩個灌裝頭?？刂菩盘柕拿}沖總數(shù)決定 步 進(jìn)電機(jī)的位移量，脈沖信號的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，各相繞組的接通次序或脈沖方向決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，通過對這些量進(jìn)行控制，可以江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 29 得到所需的各種運(yùn)動特性。 步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計 步 進(jìn)電機(jī)的選型 步 進(jìn)電機(jī)也是 電 氣控制系統(tǒng)中 常用的機(jī)電執(zhí)行元件，它是將 Hi 脈 沖轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移，帶動其他元件作精確度轉(zhuǎn)動或定位移移動 [19]。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，連接到伺服電機(jī)的 PG 發(fā)出反饋脈沖，它的頻率與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也是成比例的。 圖 35為使用 QD70 定位模塊吋系統(tǒng)的運(yùn)行方式圖。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)就是電動機(jī)編碼器的分辨率。并且 CPU 上需要連接安裝有 GX Developer/GX ConfiguratorPT 軟件的外圍設(shè)備，通過 GX Developer 把控制順序和條件創(chuàng)建為順控程序，也可對順控程序進(jìn)行仿在 GX ConfiguratorPT 中進(jìn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置 。 伺服電機(jī)的運(yùn)動控制是由 QD70P8 來實(shí)現(xiàn)的。伺服放大器串連時，伺服單元的三相 電 源和控制用的二相電源在接入接線端子之前要連接接觸器，如圖 33 所示的 1KM 和 2KM，在設(shè)計報警電路時要將這兩個接觸串連其中，對伺服電路起保護(hù)作用。 一般來說，伺服馬達(dá)及伺服放大器的連接順序?yàn)椋喝嚯娫?開關(guān) 保險 接觸器 伺服放大器 伺服馬達(dá)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 25 系統(tǒng)選用的是北京 EMOTION 公司的 SEMA 系列及 SEDA 系列伺服電機(jī)和伺服放大器，其常用的控制方式有：位置控制 P (用脈沖指令來控制伺服，編碼器反饋脈沖與脈沖發(fā)生模塊發(fā)出的脈沖的比為基準(zhǔn)來控制伺服電機(jī)的地址 或位移量）、速度控制 S (將脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬 DC 指令或數(shù)字指令，并以此來控制電動機(jī)）、扭 矩控制 T (通過扭矩指令，即模擬電壓來控制伺服電機(jī)）。 伺服電機(jī)的選型及連接 伺服電機(jī)與普通的三相異步 電動機(jī)一樣，常作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，連接其他機(jī)械分，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的移動或轉(zhuǎn)動。準(zhǔn)確定義輸入 /輸出點(diǎn)對整個控制系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。整個 PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為主 基 板一擴(kuò)展 基 板形式， 基板上各模塊的安裝連接順序?yàn)殡娫茨K CPU (中央處理器）模塊 輸入模塊 輸出模塊 運(yùn)動控制模塊（ QD70P8) 串行通訊模塊（ QJ71C24N)。 Q 系列 PLC 的基本模塊除了常用的電源模塊、 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊之外，還有常用于運(yùn)動控制的定位模塊、用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊等，根據(jù)特殊需要還有溫度調(diào)節(jié)模塊、高速計數(shù)器模塊等可供選擇。 三菱電機(jī)的 GT1000 系列的觸摸屏配合以設(shè)計好的運(yùn)行或監(jiān)控畫面可以實(shí)時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；對其接口進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置并與可編程控制器相連，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，不存在操作或命令延遲現(xiàn)象；畫面顯示功能更加豐富，可顯示單張畫面，也可顯示多張畫面或畫中畫等；搭載了 64 位 RISC CPU,高速處理器實(shí)現(xiàn)了高 速運(yùn)算，使操作更為快捷；除了與三菱電機(jī)的其他產(chǎn)品連接通訊速度快之外，接口的通用性好，與其他品牌的相應(yīng)產(chǎn)品連接時信息和數(shù)據(jù)的交換速度也很快。關(guān)于QD70P8 定位模塊的使用及特點(diǎn)在伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的控制中有詳細(xì)介紹。鑒于以上特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。灌裝機(jī)選用的 I/O 模塊為三菱 Q系列 CPU 的 I/O 模塊，它具有以下特點(diǎn)：（ 1)體積小，積木式 I/O 模塊 [14]。表 32為主基板上各 模塊的 DC 5V 消耗電流與電源模塊的輸出電流表。灌裝機(jī)的 PLC 系統(tǒng)采用的是主基板一擴(kuò)展基板的形式，通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 PLC 選型 根據(jù)圖 31所示 PLC的基本組成，對照控制對象 XG24128 型灌裝機(jī)的設(shè)計要求：精確、可靠、柔性好、干擾小、協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)，并根據(jù)灌裝機(jī)控制對象的要求，選用如表31 所示的三菱公司的 PLC 及相關(guān)模塊來組成 XG24128 型灌裝機(jī)的控制系統(tǒng)。 PLC 的基本組成如圖 31所示。本章針對控制對象 XG24128 型灌裝機(jī)的工藝要求及灌裝流程，重點(diǎn)介紹其控制中心及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成整個控制系統(tǒng)的硬件配置及連接。 指示燈：顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 執(zhí)行元件：伺服電機(jī)：共有 20 套伺服系統(tǒng)（伺服馬達(dá) +伺服驅(qū)動器），其中 12 臺伺服電 機(jī)與 12套陶瓷泵相連，在 PLC 系統(tǒng)的控制下帶動陶瓷泵準(zhǔn)確完成吸液及灌液動作；其余 8臺伺服電機(jī)與 8套旋蓋頭相接，為旋蓋頭完成旋蓋動作提供動力?？掌吭陲L(fēng)力作用下進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)瓶組件后，經(jīng)由過渡盤 I進(jìn)入到洗瓶組件，在洗瓶組件完成瓶子內(nèi)外壁的清潔后進(jìn)入灌裝組件進(jìn)行灌裝，灌裝完成后的瓶子在過渡盤 III 帶動下進(jìn)入加蓋組件；與此同時，瓶蓋在供蓋機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入加蓋組件，對灌滿后的瓶子完成加蓋動作后，在出瓶機(jī)構(gòu)的作用下出瓶，完成整個灌裝流程。常用的控制中心部件有可編程控制器 (PLC)和繼電器。圖 23為常用的電氣控制系統(tǒng)的組成圖。 加蓋組件 灌滿液體的瓶子經(jīng)由過渡盤 III 進(jìn)入加蓋組件，在旋蓋頭的作用下將瓶蓋旋緊，完成加蓋。灌裝組件安裝有灌裝主電機(jī)，同時也是整個灌裝機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動其他組件旋轉(zhuǎn)，使瓶子從進(jìn)瓶組件完成整個灌裝流程由出瓶組件出瓶。灌裝采用跟蹤灌裝模式，灌裝頭與液面始終保持一定距離，既可提高灌裝速度，又可減少氣泡和飛濺?？掌繌倪^渡盤 I 進(jìn)入洗瓶組件后沿空間曲線導(dǎo)軌先旋轉(zhuǎn)180 度垂直倒置瓶口向下，清潔水由分水 盤流經(jīng)管道，經(jīng)過噴頭高速噴出沖洗瓶子內(nèi)壁后沿內(nèi)壁流出；同時，清洗區(qū)的外噴頭噴水清潔瓶子外壁。風(fēng)道進(jìn)瓶組件的左右刮瓶板配合使用，卡在瓶口的螺旋位置，使其在風(fēng)力作用下沿刮瓶板向下一組件移動。 課題研究的 24頭旋轉(zhuǎn)型伺服泵高速清洗灌裝旋蓋三合一機(jī)型號為 XG24128，下述中均以 XG24128 代表此灌裝機(jī)，它的主要技術(shù)要求為： (1) 灌裝速度從 12021 瓶 /h 提高到 18000 瓶 /h 以上； (2) 灌裝對象為 500ml 的 PET 瓶，灌裝介質(zhì)為食用油和普通飲料 ； (3) 灌裝的容量誤差《 3%。此外， PLC 如一般計算機(jī)一樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制與邏輯控制相對，它主要是對模擬量進(jìn)行控制，這些模擬量都是連續(xù)變化的，如壓力、溫度等。用 PLC 取代繼電器，可以采用系統(tǒng)軟元件來實(shí)現(xiàn)其控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 6) 封裝性好、能耗不高 體積小，封裝性好，結(jié)構(gòu)更為緊湊、堅固，重量輕，功耗相對于其他控制系統(tǒng)而言大為降低，是電氣控制系統(tǒng)的首 選產(chǎn)品。用戶根據(jù)自己的需求確定硬件配置后就可以組成所需的控制系統(tǒng)。除此之外， PLC 相對于其他的工業(yè)控制系統(tǒng)還具有更多的優(yōu)點(diǎn) [8][10]: 1) 易操作且共用性好 PLC 技術(shù)經(jīng)過多年的研究和發(fā)展已日趨成熟，其產(chǎn)品也從原來的整機(jī)式向模塊式發(fā)展，并且產(chǎn)品品種多，種類齊全。 灌裝機(jī)作為包裝機(jī)械的重要組成部分，最大的特點(diǎn)就是動作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件 [9]。 近年來， PLC 以其獨(dú)有的特點(diǎn)迅速發(fā)展起來，越來越多地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，與繼電器模式相比， PLC 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)在應(yīng)用方面， PLC 采用了微處理機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于順序控制、運(yùn)動控制、通信、 數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，并具有極強(qiáng)的柔性；而繼電器的應(yīng)用范圍有限，對小型問題的解決往往連線復(fù)雜，使得控制柜龐大，可靠性降低，不具有柔性。它采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制器、計數(shù)、定時和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或自動化設(shè)備以及生產(chǎn)過程。但目前較少使用。旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的實(shí)物圖如圖 11所示。主 要 用于含氣體的灌裝介質(zhì)的灌裝設(shè)備，可減少氣體的損失。 負(fù)壓灌裝機(jī)：灌裝前先對灌裝容器抽真空使其形成負(fù)壓，然后再將灌裝介質(zhì)充填其中。根據(jù)灌裝介質(zhì)中是否含氣體或是否會生成氣體可將灌裝介質(zhì)分為：硬飲料（含酒精成分的含氣飲料）、軟飲料（不含酒精成分的含氣飲料）、不含氣體液體（如白酒和醋等）。同時為了節(jié)約成本，采用一個伺服泵同時控制兩個灌裝頭并實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌裝的控制設(shè)計，提高灌裝速度。國內(nèi)一些企業(yè)和高校對灌裝機(jī)的研究主要集中在其控制系統(tǒng)和灌裝精度方面，例如對一藥品灌裝機(jī)采用全伺服 PLC 控制系統(tǒng)，且設(shè)計有灌裝跟蹤系統(tǒng)及隨機(jī)稱量系統(tǒng)，使得灌裝自動化程度高，灌裝質(zhì)量好，且實(shí)現(xiàn)灌裝精度的隨時檢測。 我國灌裝機(jī)械的發(fā)展與美國和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比雖然還有很大差距，但是近年來由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，更多地包裝產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，從而需要更多的包裝機(jī)械對其進(jìn)行生產(chǎn)，所以包 裝機(jī)械發(fā)展空間越來越大。同一臺灌裝機(jī)可以對不同灌裝介質(zhì)進(jìn)行灌裝，可對不同類型、不同大小的灌裝容器進(jìn)行灌裝；當(dāng)灌裝環(huán)境改變時，重要零部件的更換和維修方便簡江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 3 單，零件的通用性增強(qiáng)。許多大 型 企業(yè)著力于研究如何通過最大限度地增加灌裝頭的數(shù)量，或加快灌裝輪盤的轉(zhuǎn)速，或提高不同灌裝介質(zhì)的最大灌裝速度，或改善灌裝 閥 的結(jié)構(gòu)等方法來提高灌裝效率。本課題研究目的和意義是對集清洗、灌裝、加蓋三合一體的旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī) XG24128進(jìn)行控制系統(tǒng)研究，使其對 500 ml PET 瓶灌裝速度可達(dá) 18000BPH 以上，單個旋蓋頭的工作效率可達(dá) 20212200 瓶 /小時。除此之外，近年來美國和日 本等發(fā)達(dá)工業(yè)國家的灌裝機(jī)在灌裝速度上也有很大提升， Krones 公司生產(chǎn)的灌裝機(jī)灌裝頭的數(shù)量已可達(dá) 178 頭，灌裝機(jī)直徑大至 5米，且可以實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)直徑增大轉(zhuǎn)速提升的情況下保證灌裝容器的穩(wěn)定性[2]。此時為了提 高我國包裝工業(yè)的技術(shù)水平，大量進(jìn)口國外的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)線，消化吸收并進(jìn)行改良，發(fā)展自己的包裝工業(yè) [3][4]。德國包裝機(jī)械的另一特點(diǎn)是率先實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)械的成套性，中大型包裝設(shè)備可以同時實(shí)現(xiàn)對包裝容器的預(yù)處理、稱重、包裝、封口等多個工序 [3]。其包裝設(shè)備與其他產(chǎn)品一樣，以高、精、尖著稱，而且由于計算機(jī)信息技術(shù)比其他國領(lǐng)先，且計算機(jī)在工業(yè)中的使用和普及比其他國家都早，所以計算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械中，較早地形成了機(jī)電一體化控制模式 [2]。 關(guān)鍵詞： 灌裝機(jī)， PLC 控制，伺服泵，運(yùn)動控制，連續(xù)灌裝 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 III Based on the PLC rotary filling machine control system design Abstract： The foodstuff machinery serves the whole food industry, and the about 70 percentof packing machinery serves the foodstuff packaging, especially, beverage industryrapidly develops recently so that there is an increased demand for liquid fillingequipment. There is a new tendency among the packaging equipment of America andJapan towards the direction of high efficiency, high accuracy, and high packaging machinery developed late, and it principally used thedevelopment mode of importabsorb, although it can me